【摘 要】
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金刚石材料具有高禁带宽度,高击穿电场、高热导率,高载流子迁移率,高饱和速度以及低介电常数等性能。近年来关于金刚石器件的研究取得了许多非凡的成果,在微波功率器件研究方向也取得了很大的进步,金刚石的性能优势逐渐在许多应用上展现出其独特的魅力。然而,采用氢终端金刚石虽然有效提高了器件的迁移率,但是由于材料和器件工艺不够成熟、器件机理仍不够清晰等问题存在,目前用金刚石制作微波功率器件存在输出电流密度小,功
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金刚石材料具有高禁带宽度,高击穿电场、高热导率,高载流子迁移率,高饱和速度以及低介电常数等性能。近年来关于金刚石器件的研究取得了许多非凡的成果,在微波功率器件研究方向也取得了很大的进步,金刚石的性能优势逐渐在许多应用上展现出其独特的魅力。然而,采用氢终端金刚石虽然有效提高了器件的迁移率,但是由于材料和器件工艺不够成熟、器件机理仍不够清晰等问题存在,目前用金刚石制作微波功率器件存在输出电流密度小,功率密度小,稳定性差等各种问题,与实际工程应用仍有很大的差距,导致微波功率器件输出功率密度远小于理论值。且目前对不同频率、不同放大类型、不同偏置点下的金刚石器件功率特性的实验研究成果非常少,本文在此背景下通过系统地仿真研究来探索在不同频率,不同放大类型以及不同偏置点下功率特性的变化规律,进一步探明限制金刚石微波功率器件输出功率的影响因素,并提出提高输出功率的方法,为金刚石微波功率器件性能的实验优化提供重要的理论基础。本文具体的研究工作和成果如下:（1）基于Silvaco TCAD软件建立了氢终端金刚石场效应晶体管模型,通过与已有实验数据对比,本研究建立的器件模型合理可靠。依据此结构对金刚石器件进行微波功率特性仿真研究。构建的器件栅长为0.5μm,空穴迁移率为150 cm~2/（V·s）,采用SRH模型和平行电场迁移率模型,将计算得到方块电阻、二维空穴气浓度以及载流子平均饱和速度等与实际器件测量值相对比具有良好的一致性,表明建模的准确性高。仿真得到器件的直流特性、小信号特性和大信号特性,并研究了在不同迁移率下输出电流密度的变化,结果显示当金刚石空穴迁移率达到950 cm~2/（V·s）时,能实现超过10W/mm的输出功率密度。研究结果表明,空穴迁移率低是限制其器件输出功率密度的关键瓶颈。（2）研究外部负载阻抗对动态负载线以及输出功率的影响,并在A类放大状态下实现了4.8 W/mm@1 GHz的输出功率密度。分析得出输出功率受输出电流摆幅的影响,首先要保证在不失真的前提下充分利用栅压摆幅,若还要进一步地提高输出功率密度,则需要更大的饱和输出电流。同时,漏极的外部负载阻抗影响输出电压、电流摆幅,从而限制输出功率密度。因此合适的外部负载阻抗亦是提高输出功率的有效途径;还分析得出漏极电压和电流的相位差主要是由漏极的外部负载引起的。（3）对不同的偏置点下氢终端金刚石MOSFET器件的微波功率特性进行研究。分析发现输出功率受输出电压摆幅的影响。改变外部施加的漏极电压得出变化的输出功率,分析得出若要达到更高的输出电压摆幅,进一步的提升输出功率密度,需要更高的漏极击穿电压和更低的膝点电压。（4）研究了不同频率下氢终端金刚石MOSFET器件的微波功率特性,明确了高频下限制输出功率密度的原因并提出提高功率的方法。研究发现在各自最大栅压振幅下S波段输入功率密度随着频率增大而增大,输出功率密度随着频率增大而减小,其中频率从1 GHz变化到4 GHz,输入功率增加了2.33 W,输出功率降低了1.6 W,增益下降了10.8 d B,功率附加效率降低了9.47%。对器件栅极电压、栅极位移电流、输出电压和输出电流的摆幅变化分析可知,这是由于频率的变化导致负载容抗改变,从而使得栅极位移电流增大、漏压摆幅利用率降低。（5）对比A类、AB类以及B类状态下,氢终端金刚石MOSFET器件的微波功率特性,研究不同放大类型下输出功率、增益和功率附加效率变化。对比A类与AB类状态下氢终端金刚石MOSFET器件的功率特性发现随着导通角的减小,输出功率密度减小,在电流偏置分别约为A类状态下的65%、42%和18%,达到了4.75 W/mm、4.5 W/mm、4.36 W/mm@1GHz的输出功率密度。本文在已有的氢终端金刚石MOSFET器件的研究基础上,对氢终端金刚石MOSFET器件进行直流和微波功率特性的仿真研究与分析,研究了偏置点、频率和放大类型的变化对氢终端金刚石MOSFET微波功率特性的影响,并提出优化氢终端金刚石MOSFET输出功率密度的方法。综合以上的分析结果,本文为氢终端金刚石微波功率器件的实验优化和性能提高提供了一定的理论基础。
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